Premessa necessaria è ora quella di intendersi sulle definizioni di avviamento da freddo, tiepido e caldo che vengono spesso ipotizzate dai gestori dell’impianto in maniera impropria. Un esempio di classificazione impropria della tipologia di avviamento è quella che considera come parametro critico e definitorio la durata dello spegnimento: tale definizione è impropria perché la conoscenza del solo tempo di fermata nulla esplica a riguardo della reale condizione termica del GVR al riavviamento successivo che dipende da una serie di condizioni al contorno spesso non conosciute e pienamente controllate (ad es. la presenza di serrande, la chiusura della valvole di intercettazione lato vapore, i flussaggi della turbina a gas, ecc...).
Al fine dello sviluppo della piattaforma software, con riferimento ad una caldaia a recupero della Nooter/Eriksen a servizio di una centrale turbogas a ciclo combinato, si è ritenuto di
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classificare, pertanto, in maniera più adeguata, la tipologia di avviamento non basandosi sul tempo di fermata ma sulla pressione residua del vapore nel corpo cilindrico [5].
Questo parametro è realmente significativo e rappresentativo delle sollecitazioni nelle parti in pressione (che sono legate alle condizioni operative in termini di pressione e temperatura), a differenza del tempo di fermata che non è direttamente collegabile alle condizioni reali del GVR.
Per questa ragione si considerano le seguenti definizioni:
- avviamento da caldo, quando la pressione residua nel corpo di alta pressione è tale per cui la corrispondente temperatura di saturazione si mantiene entro 55°C rispetto alla temperatura operativa a pieno carico;
- avviamento da tiepido, quando la pressione residua nel corpo di alta pressione è tale per cui la corrispondente temperatura di saturazione si mantiene fra 55°C (inferiore rispetto alla temperatura operativa a pieno carico) e 120°C (corrispondenti ad una lieve pressurizzazione);
- avviamento da freddo, quando la temperatura dell’acqua nel corpo di alta pressione è più bassa di 100°C (non in pressione).
Date queste definizioni, N/E normalmente accetta il seguente numero di avviamenti:
- N. avviamenti da freddo 100 /anno - N. avviamenti da tiepido 200 / anno - N. avviamenti da caldo Illimitato
se normalmente accoppiati ai seguenti provvedimenti di progetto.
3.1 Connessioni tubo-collettore
La tipica singolarità geometrica che impone una valutazione della sollecitazione in regime ciclico è la connessione tubo-collettore, specialmente nei banchi operanti a elevate temperature e pressioni, ove la differenza di spessore fra tubo e collettore è molto elevata con una conseguente concentrazione di sollecitazioni. Durante l’avviamento (operazione frequente in assetto ciclico) i banchi surriscaldatori e risurriscaldatori sono completamente drenati e i tubi raggiungono la temperatura dei fumi prima che il vapore venga prodotto.
Quando il vapore inizia ad essere prodotto, esso è più freddo del metallo dei tubi e può indurre shock termico.
L’utilizzo di connessioni forgiate (Fig. 1), di spessore progressivo fra quello piccolo del tubo e quello maggiore del collettore contribuisce ad alleviare questa problematica.
Durante l’inizio dell’avviamento, i tubi (basso spessore) raggiungono la temperatura dei fumi più rapidamente dei collettori (alto spessore): di conseguenza, lo sforzo termico si accumula nella connessione a causa della più rapida espansione dei tubi rispetto ai collettori. Durante lo spegnimento, invece, la differente inerzia termica induce uno sforzo alternato poiché i tubi si raffreddano più rapidamente dei collettori.
L’elemento di connessione forgiato, possedendo un’inerzia termica intermedia fra i tubi e i collettori, contribuisce a minimizzare la concentrazione delle sollecitazioni nella saldatura durante avviamento, spegnimento e variazioni di carico, aumentando, dunque, la vita del componente sottoposto a fatica.
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Figura 1. Tipica connessione forgiata
3.2 Espansione termica adeguata dei banchi surriscaldatori e risurriscaldatori
I tubi dei banchi surriscaldatori e risurriscaldatori sono soggetti alle più alte temperature dei fumi e del vapore e quindi a considerevole espansione termica durante l’esercizio. Essi sono supportati dall’alto per favorirne l’espansione libera verso il basso. Il lay-out dei banchi deve essere studiato accuratamente per consentire la libera espansione con la giusta considerazione delle differenti temperature di metallo. A tal proposito, le connessioni tubo-collettore sono progettate tangenti (“hillside”) [6] e non radiali al fine di evitare accumulo di sollecitazione termica nelle curve.
Nello studio della flessibilità dei banchi, occorre considerare accuratamente la differente espansione termica fra tubi adiacenti, sia nella stessa fila, sia in file differenti:
Le differenze di temperatura di metallo fra tubi nella stessa fila è molto pericolosa;
infatti, poiché i tubi sono rigidamente connessi allo stesso collettore superiore e inferiore anche una piccola differenza di temperatura (e quindi nella conseguente espansione termica) può portare a un fenomeno di piegatura (Fig. 2).
Figura 2. Deformazione in tubi di banco surriscaldatore
Per prevenire questo, occorre in primo luogo assicurare un corretto drenaggio dei tubi e dei collettori prima dell’avviamento, ma anche una perdita di carico sufficientemente elevata per favorire una distribuzione omogenea del vapore nei tubi e quindi l’adeguato raffreddamento degli stessi.
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Le differenze di temperatura di metallo fra tubi in diverse file sono parimenti critiche.
Infatti, si parla di banchi di scambio nei quali l’innalzamento della temperature del vapore è nel range 200-300°C a cavallo di poche file ed ogni fila è quindi sottoposta a una significativa variazione di temperatura di vapore e di metallo sia in fase di avviamento, sia nel funzionamento a regime. Al fine di favorire la flessibilità, è previsto che uno dei due collettori superiori che supportano i banchi non sia più fissato alla struttura tramite un supporto rigido, ma attraverso una connessione a molla per accomodare l’espansione differente delle singole file di tubi e quindi minimizzare la concentrazione delle sollecitazioni nel banco (Fig. 3).
Figura 3. Supporti a molla per banchi caldi
3.3 Sistemi di drenaggio
Dopo lo spegnimento, una certa quantità di vapore condensa all’interno dei banchi surriscaldatori e risurriscaldatori. Se tale condensa non viene adeguatamente rimossa prima del successivo avviamento, i gas caldi possono indurre differente espansione termica e quindi accumulo di sollecitazioni meccaniche fra i tubi di una stessa fila. La condensa, infatti, non è uniformemente distribuita all’interno del banco (a causa della bassa velocità del vapore prodotto all’avviamento e del grande sbilancio), ma si concentra in alcuni tubi che dunque non sono flussati (e quindi raffreddati) dal vapore ma restano pieni di condensa statica (e quindi si portano alla temperatura dei fumi, molto più alta di quella del vapore). Il fenomeno risultante è quello della piegatura riportato nell’immagine del paragrafo precedente.
Per questo motivo occorre provvedere ad un appropriato sistema di drenaggio (Fig. 4) per rimuovere in modo efficace tutta la condensa prima di procedere all’avviamento.
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Figura 4. Sistema di drenaggio banchi surriscaldatori
I drenaggi devono dunque essere equipaggiati con valvole motorizzate on/off ed attivate o da sensori di temperatura o da sensori di condensa.
Due sono le condizioni per un’efficace rimozione della condensa:
Una dimensione sufficiente della linea di drenaggio e delle valvole; ideali sono le valvole a sfera, a passaggio pieno (Fig. 5);
Adeguato percorso delle linee di drenaggio per evitare sacche di accumulo di condensa (Fig. 6).
Figura 5. Valvola di drenaggio a sfera Figura 6. Drenaggio non ideale
Occorre inoltre porre attenzione all’acqua immessa nelle linee tramite attemperamento, che, se non ben miscelata con il vapore o in caso di perdite dalla valvola di iniezione, può portare a fenomeni di erosione e a colpi d’ariete.
Il sistema di controllo dell’attemperatore deve, dunque, provvedere ad evitare ciò tramite alcune scelte di progetto:
- Ia portata di vapore deve essere sufficiente alla vaporizzazione dell’acqua immessa (rapporto H2O/vapore <0,25);
- il surriscaldamento della miscela vapore/H2O a valle deve essere sufficiente per eliminare particelle di acqua (> 22 °C);
- la distanza fra l’attemperatore e la prima curva della tubazione vapore deve essere adeguata per assicurare che la piena vaporizzazione sia avvenuta prima che le gocce d’acqua incontrino la curva.
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3.4 Controllo della temperatura del vapore senza iniezione di acqua
Allo scopo di ottimizzare l’efficienza termica del GVR, l’attemperamento sui banchi del risurriscaldatore può essere realizzato tramite miscelazione in uscita con una piccola portata del vapore d’ingresso - RH by-pass (Fig. 7). Tale portata è definita dal sistema di regolazione della temperatura finale del vapore.
Figura 7. Esempio di sistema di by-pass risurriscaldatore
L’efficienza termica cresce perché, a causa del parziale by-pass di una certa portata di vapore, la temperature dei fumi all’ingresso dell’evaporatore di alta pressione, collocato a valle del banco risurriscaldatore, aumenta, rendendo quindi disponibile una maggiore quantità di calore per aumentare la produzione di vapore.
Una controindicazione a questa applicazione può essere costituita dall’incremento della temperatura di metallo nei tubi più caldi del banco risurriscaldatore; ciò in generale non è un problema poiché l’associato incremento di spessore di tubi e collettori è limitato a causa della bassa pressione di progetto. Questa è la ragione per cui il sistema non è conveniente per il surriscaldatore di alta pressione.
Oltre all’incremento di prestazione, si evidenziano altri tre vantaggi:
- la purezza del vapore in turbina aumenta e viene eliminato il rischio di condensa di acqua e shock termico;
- le sollecitazioni termiche sulle tubazioni sono ridotte, grazie anche ad un lay-out più semplificato;
- lo stress analysis è semplificato.
3.5 Design dei corpi cilindrici
Il corpo cilindrico di alta pressione è l’elemento limitante per la fatica, essendo il componente a maggiore spessore per due motivi:
- è soggetto alla più alta pressione di progetto del GVR;
- è il componente di maggior diametro.
Il gradiente ammissibile per l’avviamento è dunque fissato in funzione dello spessore del corpo di alta pressione.
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L’utilizzo di materiali ad alto grado (ad es. WB36, SA302B) a causa dell’alta sollecitazione ammissibile, possono cooperare a minimizzare lo spessore e così a incrementare i gradienti di avviamento mantenendo entro valori ragionevoli il consumo di vita.
Un’altra modalità di riduzione degli spessori massimi è il design a due corpi cilindrici (brevetto Nooter/Eriksen).
In un GVR a circolazione naturale il corpo cilindrico svolge due funzioni principali:
- provvede ad una efficiente separazione delle fasi (vapore da acqua);
- assicura il battente per la circolazione naturale tramite controllo e stabilità del livello dell’acqua.
Per assicurare queste due funzioni il corpo assume un diametro significativo, ma, dividendo le due funzioni fra due corpi, ciascun corpo dovrà avere un volume più piccolo e quindi minor diametro e spessore. Il ridotto spessore consente un miglior comportamento a fatica in funzionamento ciclico.
Il corpo superiore agisce come separatore delle fasi: il vapore viene convogliato al banco surriscaldatore, mentre l’acqua ricade nel corpo inferiore, che opera con livello controllato per alimentare la circolazione naturale attraverso un adeguato circuito.
3.6 Sparging steam e serranda al camino
La maggior parte del consumo di vita a fatica avviene durante l’avviamento da freddo. Lo sparging steam (vapore ausiliario di riscaldamento prelevabile da una sorgente esterna, quale vapore di processo o da caldaia ausiliaria) è un sistema utilizzato per evitare l’avviamento da freddo nel caso di fermate del fine settimana.
A tal fine è infatti sufficiente mantenere una pressione residua nel corpo cilindrico di alta pressione pari a 2 bar@120°C, obiettivo facilmente raggiungibile tramite iniezione nei tubi di caduta di un flusso di vapore che compensi le dispersioni di calore attraverso le pareti del casing e la serranda al camino. Quest’ultima è essenziale infatti per mantenere tiepida la parte interna del GVR prevenendo l’effetto di tiraggio che porterebbe a convogliare il calore all’esterno del GVR, raffreddandolo.